开关电源变压器辅助设计软件的设计

2.3 线圈结构绝缘配置及导线选择
2.3.1.线圈结构 绝缘隔离是开关电源变压器的一个重要功能。 由于开关电源变压器输入端来自电网， 为 此需按有关安全标准来确定线圈的绝缘距离。当电网电压为 230V 取 2.5mm，当电网电压为 115v 取 1.6mm。若次级绕组采用三重绝缘导线，绕组间的爬电距离可为零。 2.3.2.导线选择原则 导线通过高频电流时，其有效截面的减小可以用穿透深度来表示。所以，在选用绕组线 径时， 应遵循导线直径小于 2 倍的穿透深度的原则。 当计算到导线的直径大于由穿透深度决 定的最大线径时，应采用小直径导线并绕或采用多股绕线。
Po = ∑ 2α • U pi • I i
i=2
n
式中 P0 ——变压器的输出功率( W )。
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8.变压器的计算功率 Pt 部分程序: Po = Sqr(2 * amax) * Up2 * I2 + Sqr(2 * amax) * Up3 * I3 '输出功率 textPo.Text = Po
I1 = α • I p1
桥式或半桥式变换器
I1百度文库= 2α • I p1
式中
I1 ——初级电流有效值( A )。
部分程序： Ip2 = Io2 Ip3 = Io3 Ip1 = Ip2 * Up2 / Up1min + Ip3 * Up3 / Up1min '初级峰值电流 textIp1.Text = Ip1 If Combolx.Text = "桥式" Then I1 = Ip1 * Sqr(amax * 2) '初级有效电流 If Combolx.Text = "推挽式" Then I1 = Ip1 * Sqr(amax) textI1.Text = I1 If Combofs1.Text = "桥式" Then I2 = Ip2 * Sqr(2 * amax) '初级有效电流 '次级有效电流,桥式
1 引言
电力电子设备的小型化、 轻量化和高功率密度化对变压器的磁性材料、 线圈导体的配置 结构、 线圈设计技术等等提出了越来越高的要求。 传统的开关电源变压器的设计是根据理论 公式计算出相关电磁参数， 再结合前人的试验或经验数据来确定所需的磁芯规格、 线圈匝数、 导线规格以及绕制工艺等等。虽然传统的方法比较可靠，考虑的因素也比较全面，但设计过 程繁琐，耗时，受各种因素影响后容易出差错。但目前使用电源变压器辅助设计软件的还很 不普遍， 主要由于不同开关电源变压器所涉及到的参数的求取方法不一， 而且对于很多参数， 传统手工计算似乎都采取某个经验值， 或者必须等到实物完成一部分时才能确定。 而且在变 压器软件设计上，编程最困难的是如何利用材料的磁化曲线、损耗曲线，而且计算机不会查 曲线，要把曲线变为公式或用其它方法来表达，这项工作量很大。另外，对于磁芯的选择， 不同厂家又有不同的标准，所以，很多电磁参数的数据库相当庞大，计算机软件不可能处理 得十分完美。基于各种因素的制约，在变压器软件的设计上只能一步一步完善。本设计是在 传统设计法的基础上， 结合计算机辅助设计可以处理复杂计算、 不易出错、 可以仿真的优点， 运用 VB 程序来实现开关电源变压器辅助设计软件的设计， 在其实用性上， 有待进一步完善。
摘 要：本文介绍了运用 VB 程序设计开关电源变压器辅助设计软件的方法，运用计算机辅 助设计代替传统人工计算设计，并利用 VB 开发出友好的界面。在界面提示框后的文本框中 输入相应数据后， 程序可以快速地给出相应的开关电源变压器技术数据。 即从变压器设计的 基本原理出发， 根据初步计算所得出的磁芯面积乘积查表确定所需选用的磁性材料， 从而确 定开关电源变压器线包各参数等等。 关键词：开关电源变压器；辅助设计；VB 中图分类号：TP274
AP =
式中
Pt ×100 4 K m fBm j
Ap ——面积乘积（ cm 2 ）；
Pt ——变压器计算功率（ W ）； f ——开关频率（ kHz ）； Bm ——工作磁感应强度（
mT ）；
j ——电流密度（ A / mm 2 ），初算时可取 j = 3 ~ 5 A / mm 2 ； K m ——铜在磁芯窗口中的占空系数，初选时取 K m = 0.2 ~ 0.3 。
If Combofs1.Text = "全波" Then I2 = Ip2 * Sqr(2 * amax + 1) / 2 '次级有效电流,全波 textI2.Text = I2 If Combofs2.Text = "桥式" Then I3 = Ip3 * Sqr(2 * amax) '次级有效电流,桥式 If Combofs2.Text = "全波" Then I3 = Ip3 * Sqr(2 * amax + 1) / 2 '次级有效电流,全波 textI3.Text = I3 7.变压器的输出功率
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2.1 开关电源变压器的一般技术要求
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开关电源变压器的一般技术要求包括如下内容：变换器的电路类型；作频率；开关电源 变压器输入最高和最低电压；开关管的最大导通时间；输出电压和电流；开关管导通时的电 压降及整流二极管正向电压降；隔离电位；要求的漏感和分布电容；温升条件；工作环境条 件。
Ni =
及两个命令按钮控件，对窗体进行适当布局，再对控件的属性，即名称、字体、文本对齐方 式等进行相关设置即可。 本设计的界面如图 1 所示， 用户只需在技术要求下的要求提示后面 输入相应参数并按动计算按钮， 便可以在计算结果栏中得到相应需要的参数， 按清除键后可 进行复位。有些技术要求没考虑到，像隔离电位、漏感和分布电容等，可能这些因素离开具 体设计，光凭理论不太好用计算机程序来表达，但总体上界面还是比较简洁友好的。
10.初级绕组匝数的计算
N1 =
式中
U p1Ton
2 Bm Ae
× 10−2
N1 ——初级绕组匝数；
U p1
——初级输入电压幅值（ V ）；
Ton ——开关晶体管导通时间（ µ s ）； Bm ——工作磁感应强度（ T ）； Ae ——磁芯有效截面积（ cm 2 ）。
11.次级绕组匝数
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U oi + ∆U i + Vt0 2α
3.计算次级绕组峰值电流 变压器次级绕组峰值电流即为开关电源变换器的直流输出电流。
I pi = I oi
式中
I pi
——次级绕组峰值电流( A )；
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I oi ——直流输出电流( A )。
4.计算次级电流有效值 输出为全波整流时
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3 界面设计
目前双极性开关电源变压器比较容易满足大功率开关电源变压器的需要， 而且应用得比 较多， 另外多路输出可以扩大变压器的应用范围。 故本文以多路输出双极性开关电源变压器 设计为例。进入 VB 开发环境后，在窗体上添加若干标签控件、文本框控件和组合框控件以
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2.2 电磁参量的确定
2.2.1.磁感应强度 B 的确定 磁感应强度 B 确定必须满足两点要求，一是当输入电压达到最大时磁芯应不饱和；二 是变压器的温升应不超过规定值。在规定温升下，磁芯损耗与线圈铜损相等时，开关电源变 压器的效率最高。一般初算时可按表 2 选取。
表 2 磁感应强度初选值 25 50 100 300 150~200 100~150
工作频率 f/kHz 磁感应强度 B/mT
200 60~100
500 30~50
2.2.2.电流密度 j 的确定 一般电流密度按照允许的最大线圈损耗来选取，而初选时，尤其对于初步设计，一般选 取经验值，可取 3-5 A/mm 2 [1-4]。 2.2.3. 开关电源变压器变压器线圈的漏感 在实际变压器中，如果初次级绕组之间的磁通没有完全耦合就产生了漏感[5-7]。通常采 取线圈交错分层绕制减少漏感，将初级线圈分成两半，将次级线圈夹在中间，就可以大大降 低漏感。如果是多层线圈，同理可作出更多层线圈的磁场分布图。为了减少漏感，可将初级 和次级都分段。
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If Combofs1.Text = "桥式" Then P2t = Sqr(2 * amax) * Up2 * I2 * (1 + 1) '次级 2 计算功率, 桥式 If Combofs1.Text = "全波" Then P2t = Sqr(2 * amax) * Up2 * I2 * (1.414 + 1) '次级 2 功率, 全波 If Combofs2.Text = "桥式" Then P3t = Sqr(2 * amax) * Up3 * I3 * (1 + 1) '次级 3 计算功率, 桥式 If Combofs2.Text = "全波" Then P3t = Sqr(2 * amax) * Up3 * I3 * (1.414 + 1) '次级 3 功率, 全波 Pt = P2t + P3t '计算功率 9.计算面积乘积，确定磁芯规格 (1)计算面积乘积
Ii =
1 + 2α • I pi 2
输出为桥式整流时
I i = 2α • I pi
式中
I i ——次级电流有效值( A )。
n
5.计算初级绕组峰值电流
I p1 = ∑
i=2
U pi U p1
• I pi
式中
I p1
——初级绕组峰值电流( A )；
n ——变压器多路输出数加 1
6.初级绕组电流有效值 推挽式变换器
2 开关电源变压器设计简介
开关电源变压器的设计包括电磁参数和线圈结构设计两部分[1]。 电磁参数设计按工作电 路区分，可分为三种形式，见表 1。
设计类型 电磁 设计 电感储能型 脉冲变压器型 方波激励变压器型 导线结构 线圈 结构 绕组结构 端空设计 表 1 开关电源变压器设计类型 特点 变换器类型 单向激励 双向激励 集肤效应影响 影响分布参数 绝缘隔离电位 所有 反激式 正激式 桥式、推挽 设计内容 磁芯规格 匝数和导线规格 多股线或薄铜带 分层或分段 按绝缘电位设计端 空
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图 2 程序流程图
4.2 部分电磁参数的设计及部分程序
只要结合开关电源变压器的传统设计法，根据相关理论计算公式可以方便编写出程序。 1. 计算初级绕组电压幅值
U p1 = U in − ∆U1 − VT
2.计算次级绕组电压幅值
U pi =
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开关电源变压器辅助设计软件的设计
任良才 1，孙爱进 1，汪秀 1，张青 2
1 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 （ 221008） 2 华澳有限责任公司技术科，江苏苏州 （215128）
E-mail:renliangcai777@163.com
图 1 界面
4 程序设计
4.1 程序流程图
在程序编写过程中， 虽然总体实现起来不需要太多复杂的语句， 不需要进行复杂的嵌套 等等，但需要大量详细的数据参与计算，再进行优化比较等等，这个工作量比较大。所以调 试过程中， 难免由于大量数据中存在一个微小的错误而花费大量时间去纠正。 对于纯粹的利 用公式的计算， 利用计算机可以很方便的去处理， 而对于需要查相关曲线时， 在传统设计中， 因为是有针对性的去设计，可能直接根据经验值或具体查询相关曲线就可以得到数据.对于 软件设计，就不太容易了，一是没有足够的数据，二是即使有了一些图，也很难去用计算机 去精确地表示出曲线，而且在查询数据这一块，计算机需要借助各种强大的数据库，所以在 软件上，这方面还不如用传统方法解决。所以，在程序中，对于涉及到线圈结构的设计时， 并没有深入去用程序来表达，只是做了一个粗略的估计，定性的作出结论。在温升校验时， 传统方法需要查询某个磁性材料的损耗曲线以得到磁性材料的单位体积损耗， 还要根据线圈 的绕制方法得出绕线电阻最后得出铜耗，这个用编程不太好实现，主要是数据不易得到，而 且编程也不现实。但其最终目的就是温升校验，所以直接跳过传统较繁琐的过程，利用已有 的数据库，结合一些经验值轻松进行校验。程序流程图如下：